Tabla de Contenidos
Ентропията (S) е едно от централните понятия на термодинамиката. Това е функция на състоянието, която осигурява мярка за разстройството на дадена система и също така е мярка за количеството енергия, разсеяно като топлина по време на спонтанен процес. Изчисленията на ентропията са важни в различни области на знанието, от физика, химия и биология до социални науки като икономика, финанси и социология.
Имайки такова голямо разнообразие от приложения, не е изненадващо, че има различни понятия или дефиниции на ентропията. По-късно са представени двете основни концепции за ентропията: термодинамичната концепция и статистическата концепция.
Ентропия на процеси срещу ентропия на система
Ентропията е свойство на термодинамичните системи, което е представено в библиографията с буквата S. Това е функция на състоянието, което означава, че е една от променливите, които позволяват да се определи състоянието, в което се намира дадена система. Освен това, това също означава, че това е свойство, което зависи само от конкретното състояние, в което се намира системата, а не от това как системата е стигнала до това състояние.
Това означава, че когато говорим за ентропията на система в определено състояние, ние го правим по същия начин, както бихме говорили за температурата или обема на системата. Но също така е обичайно да се изчислява промяната на ентропията, която настъпва, когато системата преминава от едно състояние в друго. Например, можем да изчислим промяната на ентропията от изпаряването на проба вода или от химическата реакция между кислород и желязо, за да се получи железен оксид. Във всеки от тези случаи говорим за ентропия на процеса, когато в действителност трябва да говорим за промени в ентропията, свързани с посочените процеси.
С други думи, когато говорим за ентропията на проба от газ метан при 25 °C и 3,0 атмосфери налягане (в който случай ние описваме конкретно състояние на споменатия газ), ние се отнасяме също до ентропията на системата наречена абсолютна ентропия или S.
Вместо това, когато говорим за ентропията на изгаряне на проба от газообразен метан при 25 °C и 3,0 атмосфери налягане в присъствието на кислород, за да се получат въглероден диоксид и вода, ние говорим за ентропията на процес, който включва промяна в състоянието на системата и следователно промяна в ентропията на системата. С други думи, в тези случаи говорим за промяна на ентропията или ΔS .
При дефинирането на ентропия е важно да е ясно дали говорим за S или ΔS, тъй като те не са едно и също. Като се има предвид това, има две основни концепции за ентропията: оригиналната термодинамична концепция и статистическата концепция. И двете понятия са еднакво важни. Първото, защото направи ентропията известна като незаменима променлива за разбиране на спонтанността на всички естествени макроскопични процеси във Вселената (в микроскопичното поле на квантовата механика нещата стават малко блатисти), а второто, защото ни предоставя интерпретация, интуитивно разбиране на какво всъщност означава ентропията на една система.
Термодинамична дефиниция на ентропията (ΔS)
Първоначалната концепция за ентропията се свързва с процесите на промяна в системата; в тях част от вътрешната енергия се разсейва под формата на топлина. Това е нещо, което се случва във всеки естествен или спонтанен процес и формира основата на втория закон на термодинамиката, който може би е един от най-важните (и ограничаващи) закони в науката.
Помислете например за случая на пускане на топка, за да я оставите да отскочи на земята. Когато държим топка на определена височина, тя има определено количество потенциална енергия. Когато пуснете топката, тя пада, трансформирайки потенциалната енергия в кинетична енергия, докато удари земята. В този момент кинетичната енергия се натрупва отново под формата на потенциална енергия, този път еластична, която по-късно се освобождава, когато топката отскочи.
При идеални условия цялата първоначална потенциална енергия би се запазила след отскока, което би означавало, че топката трябва да отскочи обратно на първоначалната височина. Въпреки това, дори ако премахнем напълно въздуха (за да премахнем триенето), опитът ни казва, че топката никога не отскача обратно на първоначалната височина, а отива на все по-ниска и по-ниска височина след всяко отскачане, докато опре на земята.
Очевидно е, че многократното подскачане на топката на земята в крайна сметка напълно разсейва цялата потенциална енергия, която обектът имаше в началото на нашия малък експеримент. Това се случва, защото всеки път, когато топката отскочи, тя предава част от енергията си на земята под формата на топлина, която на свой ред се разсейва произволно по самата земя.
В термодинамиката ентропията или по-скоро промяната на ентропията се определя като топлината, освободена или погълната от система по време на обратима трансформация, разделена на абсолютната температура. Тоест:
Това определение представлява безкрайно малка вариация на ентропията на процес от всякакъв вид, извършван обратимо, тоест безкрайно бавно. За да получим ентропията на реална и измерима промяна, трябва да интегрираме този израз:
Тъй като ентропията е функция на състоянието, предишният израз предполага, че вариацията на ентропията на система между всяко начално състояние и всяко крайно състояние може да бъде намерена чрез търсене на обратим път между двете състояния и интегриране на предишния израз. За най-простия случай на изотермична трансформация интегрираната ентропия става:
Статистическа дефиниция на ентропията (S)
Австрийският теоретичен физик Лудвиг Болцман е известен с безбройните си приноси към науката, но главно със статистическата си интерпретация на ентропията. Болцман извежда връзката между ентропията и начина, по който молекулите се разпределят в различни енергийни нива при дадена температура. Това разпределение, наречено разпределение на Болцман, прогнозира, че популацията от молекули в дадено енергийно състояние при дадена температура намалява експоненциално с енергийното ниво на състоянието. Освен това при по-високи температури ще бъдат достъпни по-голям брой енергийни състояния.
Тези и други допълнителни наблюдения са обобщени в уравнението, което днес носи неговото име, тоест уравнението на Болцман:
В това уравнение S представлява ентропията на системата в определено състояние, а W представлява броя на микросъстоянията на същото и k B е константа на пропорционалност, наречена константа на Болцман. Тези микросъстояния се състоят от различни начини, по които атомите и молекулите, които изграждат системата, могат да бъдат подредени, поддържайки общата енергия на системата постоянна.
Броят на микросъстоянията традиционно се свързва с нивото на безпорядък в системата. За да разберем защо, нека разгледаме чекмедже, където държим голям брой чорапи. Цветът на чорапите може да се свърже с енергийното ниво, на което се намират. По този начин разпределението на Болцман прогнозира, че при достатъчно ниски температури практически всички чорапи ще бъдат от един цвят (този, който съответства на най-ниското енергийно състояние). В този случай, както и да наредим чорапите, резултатът винаги ще бъде един и същ (тъй като всички са еднакви). така че ще има само едно микросъстояние (W = 1).
Въпреки това, когато увеличим температурата, някои от тези чорапи ще се променят във втори цвят. Дори ако само един чифт чорапи промени цвета си (премине във второ енергийно състояние), фактът, че всеки един от чорапите може да промени цвета си, означава, че могат да съществуват много различни микросъстояния. Тъй като температурата се покачва и все повече състояния започват да се населяват, все повече и повече цветове на чорапите се появяват в чекмеджето, което значително увеличава броя на възможните микросъстояния, което на свой ред прави чекмеджето да изглежда като разхвърляна бъркотия.
Тъй като горното уравнение прогнозира, че ентропията се увеличава с увеличаване на броя на микросъстоянията, т.е. когато системата стане неподредена, тогава уравнението на Болцман определя ентропията като мярка за безпорядъка на системата .
единици ентропия
В зависимост от която и да е от двете представени дефиниции може да се определи, че ентропията има единици енергия спрямо температура. тоест
В зависимост от системата от звена, в които работите, тези звена могат да бъдат:
| Единична система | ентропийни единици |
| Международна система | J/K |
| Основни единици на метричната система | m 2 .kg/(s 2 .K) |
| имперска система | BTU/°R |
| калории | вар/К |
| други звена | kJ/K, kcal/K |
Препратки
Atkins, P. & dePaula, J. (2010). Аткинс. Физическа химия (8- мо издание ). Панамериканска медицинска редакция.
Boghiu, CE (2018, 5 февруари). Информация и ентропия, вероятностен подход . Национална асоциация на студентите по физика. https://nusgrem.es/informacion-entropia-probabilidad/
Чанг, Р. (2002). Физикохимия (1- во издание ). MCGRAW HILL ОБРАЗОВАНИЕ.
Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание ). Образование на McGraw-Hill.
Конър, Н. (2020 г., 14 януари). Каква е единицата за ентропия? Определение . Топлотехника. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-unit-of-entropy-definition/
Гимназия AGB. (nd). ЕНТРОПИЯ – ЛУДВИГ БОЛЦМАН . Liceoagb.es. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo12.html
ВИЖ. (nd). Производни единици – термодинамика . Индустриални проверки на Андалусия, SA https://www.veiasa.es/metrologia/utilidades/unidades_derivadas/termodinamica
